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轉(zhuǎn)述《七堂極簡(jiǎn)物理課》3、粒子和空間的顆粒
今天繼續(xù)為您轉(zhuǎn)述《七堂極簡(jiǎn)物理課》。
第三課，粒子
上節(jié)課我們說到了宇宙，里面有光和其他物質(zhì)在運(yùn)動(dòng)。光由光子組成，這是愛因斯坦憑直覺想出的光的微粒。我們看到的物體都是由原子組成的。原子由一個(gè)原子核和圍繞它的電子組成，原子核由緊密聚集在一起的質(zhì)子和中子構(gòu)成。質(zhì)子和中子則由更小的粒子構(gòu)成，美國物理學(xué)家蓋爾曼為它們?nèi)∶翱淇恕薄?strong>我們所觸碰到的每樣?xùn)|西都是由電子和這些夸克組成的。
夸克之所以能夠在質(zhì)子和中子里“黏”在一起，是因?yàn)橐环N物理學(xué)家們稱作“膠子”的粒子，它是從英文的“膠水”變化而來的，科學(xué)家們?nèi)∶麜r(shí)似乎并沒有發(fā)覺這個(gè)詞有點(diǎn)可笑。
我們身邊的所有物體都是由電子、夸克、光子和膠子組成的，它們就是粒子物理學(xué)中所講的“基本粒子”。除此之外還有幾種粒子，例如中微子——它布滿了整個(gè)宇宙，但并不跟我們發(fā)生交互作用，還有希格斯玻色子，他是在不久前日內(nèi)瓦歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)發(fā)現(xiàn)的粒子。但這些粒子并不多，只有不到十種。這少量的基本原料，如同大型樂高玩具中的小積木，靠它們建造出了我們身邊的整個(gè)物質(zhì)世界。
量子力學(xué)描述了這些粒子的性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)方式。這些粒子當(dāng)然并不像小石子那般真實(shí)可感，而是相應(yīng)的場(chǎng)的“量子”，比方說光子是電磁場(chǎng)的“量子”。它們的消失和重現(xiàn)遵循量子力學(xué)的奇特定律：存在的每樣?xùn)|西都是不穩(wěn)定的，永遠(yuǎn)都在從一種相互作用躍遷到另一種相互作用。
即使我們觀察的是空間中一塊沒有原子的區(qū)域，還是可以探測(cè)到粒子的微小涌動(dòng)。徹底的虛空是不存在的，就像最平靜的海面，我們湊近看還是會(huì)發(fā)現(xiàn)細(xì)微的波動(dòng)和振蕩。構(gòu)成世界的各種場(chǎng)也會(huì)輕微地波動(dòng)起伏，我們可以想象，組成世界的基本粒子在這樣的波動(dòng)中不斷地產(chǎn)生、消失。
這就是量子力學(xué)和粒子理論描述的世界。這和牛頓的世界相去甚遠(yuǎn)：在那里，冰冷的小石子在不變的幾何空間里沿著精確而漫長(zhǎng)的軌跡永恒不變地運(yùn)動(dòng)著。量子力學(xué)和粒子實(shí)驗(yàn)告訴我們，世界是物體連續(xù)的、永不停歇的涌動(dòng)，是稍縱即逝的實(shí)體不斷地出現(xiàn)和消失，是一系列的振蕩，就像20世紀(jì)60年代時(shí)髦的嬉皮世界，一個(gè)由事件而非物體構(gòu)成的世界。
粒子理論的細(xì)節(jié)在20世紀(jì)50—70年代逐漸得到完善。參與這項(xiàng)工作的有20世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家，如理查德·費(fèi)曼和蓋爾曼，還有一群舉足輕重的意大利人。這些細(xì)節(jié)的建構(gòu)導(dǎo)出了一個(gè)復(fù)雜的理論，它建立在量子力學(xué)的基礎(chǔ)上，被稱為“基本粒子標(biāo)準(zhǔn)模型”，一個(gè)不太浪漫的名字。
20世紀(jì)70年代，在其所有預(yù)測(cè)被一系列實(shí)驗(yàn)證實(shí)之后，這個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)模型”終于得以確立。1984年，意大利現(xiàn)在的參議員卡洛·魯比亞還憑著這個(gè)模型的首批數(shù)據(jù)獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。2013年希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)，完成了“標(biāo)準(zhǔn)模型”確認(rèn)工作的最后一環(huán)。
雖然有一系列成功的實(shí)驗(yàn)，物理學(xué)家們卻從未真正認(rèn)真看待“標(biāo)準(zhǔn)模型”。這個(gè)理論至少第一眼看上去零零碎碎，東拼西湊。它由不同的理論和方程集合而成，看不出有什么清晰的秩序。它描述了某些場(chǎng)，通過由某些常數(shù)決定的某些力相互作用，表現(xiàn)出某些對(duì)稱性。這距離廣義相對(duì)論和量子力學(xué)的簡(jiǎn)潔方程還很遙遠(yuǎn)。
標(biāo)準(zhǔn)模型方程對(duì)世界進(jìn)行預(yù)測(cè)的方式也復(fù)雜得離譜。直接使用這些方程會(huì)得出毫無意義的預(yù)測(cè)，因?yàn)橛?jì)算出來的每個(gè)數(shù)都是無窮大。要想得到有意義的結(jié)果，必須假定參數(shù)本身就是無窮大，才能抵消荒謬的結(jié)果，讓它們變得合理。雖然它在實(shí)際應(yīng)用上是可行的，但那些追求簡(jiǎn)潔的人卻仍然覺得它有所欠缺。
愛因斯坦之后20世紀(jì)最偉大的科學(xué)家，量子科學(xué)最重要的建立者，標(biāo)準(zhǔn)模型第一個(gè)也是最主要的方程的作者叫做保羅·狄拉克，在他生命的最后幾年曾反復(fù)表達(dá)他對(duì)這一狀況的不滿，他說：“我們還沒有解決這個(gè)問題?！?/span>
近幾年，標(biāo)準(zhǔn)模型還出現(xiàn)了一個(gè)明顯的缺陷。天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在每一個(gè)星系的周圍都存在著一團(tuán)巨大的云狀物。我們是通過它對(duì)星體的引力和它使光發(fā)生偏折的現(xiàn)象才間接發(fā)現(xiàn)它的。我們無法直接看到這團(tuán)巨大的云，也不知道它由什么組成?？茖W(xué)家們提出了很多假設(shè)，卻沒有一個(gè)說得通。很明顯有東西在那兒，但它具體是什么，我們卻無從知曉。今天我們把它稱為“暗物質(zhì)”，一種無法用標(biāo)準(zhǔn)模型描述的東西，不然我們也不會(huì)看不見它了。它不是原子，不是中微子，更不是光子。
親愛的讀者，天空和大地上存在著超出我們的哲學(xué)或物理學(xué)想象的東西，這也不是什么新鮮事了。就在不久之前，我們還在懷疑無線電波和中微子的存在呢，盡管它們充滿了整個(gè)宇宙。
迄今為止，標(biāo)準(zhǔn)模型仍然是解釋物質(zhì)世界最好的理論，它的預(yù)測(cè)全都得到了證實(shí)。除了暗物質(zhì)和廣義相對(duì)論中被描述為時(shí)空曲率的引力之外，其它的它都很好地解釋了已知世界的方方面面。
曾有人提出其他理論，試圖替代標(biāo)準(zhǔn)模型，但都被實(shí)驗(yàn)推翻了。例如，20世紀(jì)70年代有人提出了一個(gè)叫做SU（5）理論，它看起來很不錯(cuò)，用一個(gè)更簡(jiǎn)潔優(yōu)雅的結(jié)構(gòu)取代了標(biāo)準(zhǔn)模型中無序的方程。這個(gè)理論預(yù)測(cè)質(zhì)子會(huì)以一定的概率衰變，分解成電子和夸克?？茖W(xué)家們?cè)炝撕芏嗑扌蛢x器，來觀測(cè)質(zhì)子的衰變。由于衰變需要太長(zhǎng)時(shí)間，所以不能一次只觀測(cè)一個(gè)質(zhì)子，有些物理學(xué)家為尋找可觀測(cè)到的質(zhì)子衰變奉獻(xiàn)了一生。可是，唉，至今還沒有人觀測(cè)到質(zhì)子的衰變呢。SU（5）這個(gè)漂亮的理論，雖然簡(jiǎn)潔美妙，卻得不到上帝的青睞。
同樣的故事也許正在上演。有一種被稱為“超對(duì)稱”的理論預(yù)言存在一類新粒子。在整個(gè)物理生涯中，我不斷聽說有同事在滿懷信心地期待著這些粒子被發(fā)現(xiàn)。但是隨著時(shí)間的流逝，一天天、一月月、一年年、數(shù)十載……這些超對(duì)稱粒子依然沒有現(xiàn)身。物理學(xué)史并非只有成功。
所以我們現(xiàn)在還只能依賴標(biāo)準(zhǔn)模型。它可能不太優(yōu)美，但是用來解釋我們周圍的世界卻很好用。誰知道呢，仔細(xì)想想，或許并不是這個(gè)模型不優(yōu)美，而是我們還沒有學(xué)會(huì)從正確的角度看待它，沒有發(fā)現(xiàn)隱藏其中的簡(jiǎn)潔。
如今，我們對(duì)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)是這樣的：
屈指可數(shù)的幾種基本粒子，不斷地在存在和不存在之間振動(dòng)、起伏，充斥在似乎一無所有的空間中。它們就像宇宙字母表里的字母，以無窮無盡的組合，講述星系、繁星、陽光、山川、森林、田地，以及節(jié)日里孩子臉上的笑容和星光璀璨夜空的漫長(zhǎng)歷史。
第四課、空間的顆粒
我前面介紹的物理理論，盡管有些晦澀繁雜，并且有的問題仍舊懸而未決，卻已經(jīng)比過去更好地描述了這個(gè)世界。我們本該對(duì)此心滿意足，可事實(shí)卻并非如此。
在我們所了解的物理世界的中心，存在著一個(gè)悖論。我說過，20世紀(jì)物理學(xué)的兩顆明珠是廣義相對(duì)論和量子力學(xué)。前者是宇宙學(xué)、天體物理學(xué)、引力波、黑洞以及其他許多研究的起源；后者則是原子物理、核物理、基本粒子物理、凝聚態(tài)物理等學(xué)科的基礎(chǔ)。這兩個(gè)理論帶來了豐富的成果，奠定了當(dāng)代科技的基石，徹底改變了我們的生活方式。但這兩個(gè)理論不可能同時(shí)正確。至少依照目前的形式，它們是相互矛盾的。
一個(gè)大學(xué)生如果早上聽了廣義相對(duì)論的課，下午學(xué)了量子理論，可能會(huì)覺得教授們犯糊涂了，或者懷疑他們是不是至少有一個(gè)世紀(jì)沒有交流過了，不然為什么早上世界還是彎曲的空間，所有東西都是連續(xù)的，下午它就成了一個(gè)能量量子躍動(dòng)的平直空間？
悖論在于兩個(gè)理論都非常好用。
大自然就像一位年長(zhǎng)的智者，有兩個(gè)人跑去找他解決爭(zhēng)端。聽了第一個(gè)人的話，智者說：“你說得有道理?！钡诙€(gè)人堅(jiān)持為自己辯解。智者聽完對(duì)他說：“你說得也有道理。”智者夫人在另一個(gè)房間聽到了他們的談話，大聲說道：“但是他們兩個(gè)不會(huì)都有道理吧？”智者認(rèn)真思考了一下，點(diǎn)點(diǎn)頭說：“你也很有道理。”
一群散布于五大洲的理論物理學(xué)家正在努力解決這個(gè)問題。這個(gè)研究領(lǐng)域被稱為“量子引力”，其目標(biāo)是找到一個(gè)理論，也就是一系列方程來解決現(xiàn)在這種“精神分裂”的局面。
物理學(xué)已經(jīng)不是第一次面對(duì)兩個(gè)看起來完全對(duì)立的偉大理論了。而過去每一次成功地將相互矛盾的兩個(gè)理論統(tǒng)一時(shí)，我們的世界觀都產(chǎn)生了巨大的飛躍。牛頓整合了伽利略的拋物線運(yùn)動(dòng)和開普勒的天體橢圓運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)了萬有引力。麥克斯韋將電和磁的理論結(jié)合起來，提出了電磁場(chǎng)方程。愛因斯坦在解決電磁學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的明顯沖突時(shí)，發(fā)現(xiàn)了相對(duì)論。
因此，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)這種偉大理論之間的矛盾時(shí)只會(huì)興奮不已：這是一個(gè)難得的機(jī)會(huì)。我們是否可以建立一個(gè)思考世界的概念框架，來兼容上述兩種理論呢？
在這里，在科學(xué)的前沿，在人類認(rèn)知能夠抵達(dá)的邊界，科學(xué)變得愈發(fā)迷人了，它閃耀在對(duì)原初想法的鍛造中，在直覺和嘗試?yán)?，在那些被選擇又被放棄的道路上，在不斷產(chǎn)生的熱情中，在于努力想象那些從未被想象過的事。
二十年前，這個(gè)領(lǐng)域還是一團(tuán)迷霧，現(xiàn)在道路已經(jīng)出現(xiàn)，喚起了大家的樂觀與熱情。然而道路不止一條，因此還不能說問題已經(jīng)解決。多樣性引發(fā)了爭(zhēng)論，但這是健康的：在迷霧完全消散之前，相互批評(píng)，各抒己見，是有益而無害的。解決這個(gè)問題的一個(gè)重要嘗試是一個(gè)叫做“圈量子引力”的研究方向，許多國家的研究小組都在從事相關(guān)研究。
圈量子引力試圖把廣義相對(duì)論和量子力學(xué)結(jié)合起來。這個(gè)嘗試很謹(jǐn)慎，它只使用這些理論中已有的假設(shè)，適當(dāng)改寫這兩個(gè)理論，使它們相容。但它的結(jié)論相當(dāng)激進(jìn)：它又一次深刻地改變了我們看待現(xiàn)實(shí)世界結(jié)構(gòu)的方式。
它的中心思想很簡(jiǎn)單。廣義相對(duì)論告訴我們空間不是一個(gè)靜止的盒子，而是在不斷運(yùn)動(dòng)，像一個(gè)移動(dòng)中的巨大軟體動(dòng)物，可以壓縮和扭曲，而我們被包在里面。另一方面，量子力學(xué)告訴我們，所有這樣的場(chǎng)都“由量子構(gòu)成”，具有精細(xì)的顆粒狀結(jié)構(gòu)。于是物理空間當(dāng)然也是“由量子構(gòu)成的”。
這正是圈量子引力的核心結(jié)論：空間是不連續(xù)的，不可被無窮分割，而是由細(xì)小的顆粒，或者說“空間原子”構(gòu)成的。這些顆粒極其微小，比最小的原子核還要小幾億億倍。圈量子引力用數(shù)學(xué)形式描述了這些“空間原子”，也給出了它們演化的方程。它們被稱為“圈”或環(huán)，因?yàn)樗鼈儹h(huán)環(huán)相扣，形成了一個(gè)相互關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，從而編織出了空間的紋理，就像細(xì)密織成的巨大鎖子甲上的小鐵圈一樣。
這些空間的量子在哪里？它們不存在于任何地方，也不在“空間之中”，因?yàn)樗鼈儽旧砭褪强臻g?？臻g就是一個(gè)個(gè)引力量子相互勾連而成的。世界又一次顯得更接近關(guān)系的集合，而非物質(zhì)的集合。
圈量子引力理論的第二個(gè)結(jié)論更為極端：在“空間是連續(xù)的、物體存在其中”這個(gè)觀念消失后，“時(shí)間不受事物影響、一直流逝”這個(gè)基本而又原始的想法也不復(fù)存在了。這些描述空間和物質(zhì)的顆粒的方程不再包含“時(shí)間”這個(gè)變量。
這并不是說一切都保持穩(wěn)態(tài)，沒有變化。相反，它說明變化是普遍存在的，但我們不再能把這個(gè)基本過程形容為“一個(gè)瞬間接著另一個(gè)瞬間”。在空間顆粒的微小尺度下，大自然的舞步不再追隨，唯一的樂團(tuán)指揮手中，那根棒子所揮出的同一節(jié)拍，每一個(gè)物理過程都有自己的節(jié)奏，獨(dú)立于鄰近的其他過程。時(shí)間的流逝發(fā)生在世界之內(nèi)，從量子事件之間的相互關(guān)系中產(chǎn)生，這些量子事件本身就是時(shí)間的源頭。
這個(gè)理論描述的世界和我們熟知的那個(gè)相去甚遠(yuǎn)。這里不再有“包含”著世界的空間，也不再有事件發(fā)生“于其中”的時(shí)間。這里只有空間和物質(zhì)的量子持續(xù)相互作用的基本物理過程。我們周圍連續(xù)的空間和時(shí)間只是這些密集發(fā)生的基本過程產(chǎn)生的模糊景象。就像阿爾卑斯山上平靜而清澈的湖泊，其實(shí)是無數(shù)微小的水分子快速舞動(dòng)形成的。
這個(gè)理論可以通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)嗎？我們正在進(jìn)行思考和嘗試，但目前還沒有得到實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。然而，已經(jīng)有很多不同的嘗試了。
其中之一源于對(duì)黑洞的研究。我們現(xiàn)在可以觀測(cè)到天空中由恒星坍縮形成的黑洞。被自身的重量壓垮后，組成恒星的物質(zhì)坍塌，并從我們的視野中消失了。但它去了哪里呢？
如果圈量子引力理論正確的話，那么物質(zhì)不可能坍縮成一個(gè)無窮小的點(diǎn)，因?yàn)闊o窮小的點(diǎn)是不存在的，存在的只有一塊一塊的有限空間。被自身重量壓塌的物質(zhì)，會(huì)變得越來越密，直到量子力學(xué)可以產(chǎn)生一個(gè)反作用力，來抗衡這個(gè)壓力。
我們假定在恒星生命的最后階段，時(shí)空的量子浮動(dòng)平衡了物質(zhì)本身的重量，這個(gè)階段的恒星就被稱為“普朗克恒星”。如果太陽停止燃燒，形成一個(gè)黑洞，那這個(gè)黑洞的直徑約為1.5千米。在黑洞內(nèi)部，組成太陽的物質(zhì)會(huì)繼續(xù)坍縮，最終形成一顆如原子般大小的普朗克恒星。組成太陽的全部物質(zhì)擠壓在一個(gè)原子大小的空間里，普朗克恒星就是由這種極端的物質(zhì)狀態(tài)形成的。
普朗克恒星是不穩(wěn)定的。一旦壓縮到最大程度，就會(huì)回彈，重新開始膨脹。這就會(huì)導(dǎo)致黑洞的爆炸。假設(shè)有一個(gè)人在黑洞內(nèi)部，坐在普朗克恒星上，他看到的爆炸過程其實(shí)是極高速的回彈。但是，時(shí)間流逝的速度對(duì)于他和黑洞外的人是不同的，就像時(shí)間在高山上比在海邊流逝得快一樣。只因?yàn)槭菢O端情況，所以這里時(shí)間流逝的速度差異極為巨大。對(duì)黑洞內(nèi)部的觀察者來說回彈是瞬間發(fā)生的，對(duì)外部的人來說卻是一個(gè)極為漫長(zhǎng)的過程。所以在我們看來，黑洞在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都沒有變化。我們說黑洞就是回彈的恒星，只不過這個(gè)過程是以極慢的速度在我們眼前播放的。
有可能在宇宙初生瞬間的熔爐里，就有黑洞形成，其中有一些現(xiàn)在還在爆炸。如果是這樣的話，我們或許可以在天空中觀測(cè)到它們爆發(fā)時(shí)發(fā)射的信號(hào)，也就是來自天空的高能宇宙射線，從而觀察和測(cè)量由量子引力支配現(xiàn)象的直接效果。這是一個(gè)大膽的想法，有可能行不通，比如原始宇宙中并沒有形成足夠的黑洞，讓我們今天還能觀測(cè)到它們的爆炸。但是尋找信號(hào)之旅已經(jīng)開始了，讓我們拭目以待。
這個(gè)理論的另一個(gè)結(jié)論極其轟動(dòng)，它有關(guān)宇宙的起源。我們已經(jīng)知道如何重建宇宙的歷史，追溯到最初它只有一丁點(diǎn)的時(shí)候，但是在此之前呢？圈量子引力的方程讓我們可以把宇宙的歷史再往前推一點(diǎn)。
我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)宇宙被壓縮到極限的時(shí)候，根據(jù)量子理論會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反作用力，造成大爆炸，這個(gè)著名的大爆炸很可能實(shí)際上是大反彈：我們的宇宙在自身重量下坍縮到非常小，然后反彈，開始膨脹，變成現(xiàn)在我們周圍不斷擴(kuò)張的宇宙。宇宙被壓縮到堅(jiān)果殼大小，開始回彈的那一瞬間，就真正進(jìn)入了量子引力的領(lǐng)域：時(shí)間和空間一起消失了，世界融化成一團(tuán)涌動(dòng)的概率云，盡管如此，我們還是可以用方程描述它。
我們的宇宙很可能誕生自某一個(gè)狀態(tài)后的反彈，經(jīng)歷了一個(gè)過渡時(shí)期，在此期間，時(shí)間和空間都蕩然無存。
物理開闊了人類的眼界，我們看到的東西不斷地讓我們驚異。我們意識(shí)到人類滿腦子都是偏見，我們對(duì)世界本能的認(rèn)識(shí)是片面和狹隘的。世界在我們的眼前不斷變化，我們對(duì)它的認(rèn)識(shí)也在一點(diǎn)一點(diǎn)地不斷深入。
地球不是平的，不是靜止不動(dòng)的。如果我們把20世紀(jì)物理學(xué)所有的發(fā)現(xiàn)放在一起，得到的線索會(huì)完全推翻我們以往對(duì)物質(zhì)、空間和時(shí)間的認(rèn)識(shí)。圈量子引力就是在試圖破譯這些線索，讓我們看到更遠(yuǎn)的地方。
好了，今天的分享就到這里，希望你能在這幾期節(jié)目中享受到物理之美，后面的最后一期轉(zhuǎn)述我會(huì)很快更新。
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